棄渣場自動化安全監測系統構建

李 堅，陸進彬，趙利鵬，雷嘯天，楊 剛

(1.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；3.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

棄渣場廣泛存在于鐵路、公路、水電等行業，是基礎設施建設中的重要附屬設施，其往往具有渣量大、棄渣水土流失危害嚴重等特點[1-4]，例如，2015年深圳光明新區紅坳棄土場滑坡災難引發公眾廣泛關注棄渣場邊坡穩定與安全[5-6]；張建龍[7]對全國17座抽水蓄能電廠中48個棄渣場的運維狀態開展了調查，其中13個棄渣場在后期運營中存在質量不平衡現象，并有國家專項資金進行支持，占總量31%，僅有3個棄渣場有監控系統。

滇中引水工程輸水總干線上存在大量的隧道洞渣需要堆填處理，土石方開挖總8824.49萬m3，土石方回填總量1630.34萬m3，棄渣總量為7194.15萬m3，其中四華道班棄渣場是棄渣量最大、堆高較高的棄渣場，屬于重點監測對象。本文以此為依托，基于GPS、柔性測斜儀和滲壓計等監測技術對渣場表面變形、深部變形和滲壓進行監測，以建立自動化監測系統，并進一步介紹了自主研發的DBMS信息采集系統和工程安全監測信息管理及決策分析軟件的工程應用，研究結果可供相似的棄渣場工程的安全監測借鑒使用。

1 水文地質概況

據麗江市氣象站1971—2000年的實測資料，常年平均氣溫12.7℃，最高氣溫為18.4℃，常集中在6月份，最低氣溫為6.0℃，集中在1月份，常年極端最低氣溫為-11℃，極端最高氣溫為32℃；年降水量平均為753.7mm，且年內分配不均。降水汛期為5—10月，占全年降水量的91.3%。其大地構造單元位于松潘-甘孜褶皺系內，區域構造背景復雜，新構造運動活躍，且位于中甸-麗江-大理地震活動帶西側緣[8-9]。場址區8km范圍分布有全新世活動的龍蟠-喬后斷裂，區域構造穩定性差，曾在進場路發生過塌方。四華道班棄渣場堆高130m，棄渣量255.8萬m3，工程等級2級，棄渣組成以灰巖為主，夾雜砂礫卵石，是滇中引水工程水源工程中的棄渣量最大、堆高較高的棄渣場，屬于重點監測對象。

2 安全監測內容

四華道班棄渣場的最大堆高處布設了一個重點監測斷面，在該監測斷面上各隔一級馬道布設了一個表面位移測點，總計7個表面位移測點。在重點監測斷面左、右邊各60m處各布置了一個普通監測斷面，在重點監測斷面上各隔一級馬道布設1個表面位移測點，總計布設表面位移測點8個，共布置了15個表面位移監測點。在重點控制斷面處布置了4個測斜和測壓管道，對渣場滑動變形和浸潤線變形實施控制。在棄渣場旁適當位置布設一個視頻監控點，以能覆蓋棄渣場的整個臨空面為宜，主要監控棄渣場臨空坡面的變形情況。

2.1 渣場變形監測

表面變形包括水平位移與豎向位移，各測點采用全站儀進行交會法測量和三角高程法測量。表面水平位移監測如圖1所示。

圖1 表面水平位移監測流程圖

深部變形監測采用柔性測斜儀系統(由柔性測斜儀裝置、自動化數據采集儀等部分組成)，以實現數據自動觀測。監測原理如圖2所示。

圖2 測量原理示意圖

2.2 滲壓測量

采用電測水位計和振弦式儀器進行滲壓測量。電測水位計探頭從測壓管管口緩慢放入，連續測讀2次，2次測讀誤差不大于1cm。振弦式儀器觀測流程如圖3所示。

圖3 振弦式儀器觀測流程

3 自動化監測系統構建方案

基于上述GPS、柔性測斜儀和滲壓計對渣場表面變形、深部變形和滲壓進行監測，以此構建自動化監測系統，以實現實時自動化監測。

擬建的自動化監測系統為一種高效、快速、可靠的手段，能24h實時在線監測和分析變形數據，對棄渣場的位移進行周期性規律變化的趨勢分析，對未來時間內的位移作出預判，系統大致由5部分組成：①數據前端采集部分；②數據通訊部分；③控制室數據存儲、分析、管理、告警部分；④設備防雷部分；⑤系統供電部分，如圖4所示。

圖4 自動化系統組成示意圖

3.1 信息收集裝置

信息收集裝置由GNSS接收機、滲壓計、柔性測斜儀組成。

3.2 數據傳輸

數據的傳輸是實現邊坡變形檢測全智能化的重要環節，同時也是工程現場與地面控制中心之間的重要聯系紐帶。本項目數據通信方式擬采用GPRS無線進行傳輸，每個監測點(孔)獨立使用一個GPRS傳輸模塊。

數據傳輸系統能全天候運行和長距離的數據傳輸，保障測點同控制室數據通訊正常，數據通信速率一般在10～60kbps之間或者更高，視數據量最終確定。GPRS通訊方式如圖5所示。

圖5 GPRS通訊方式示意圖

3.3 電源裝置

設備供電方式一般有太陽能供電和電力網絡線路供電2種，由于棄渣場不具備電力網絡線路供電條件，本項目所有監測點采用太陽能系統供電，而后方控制中心采用220V交流電供電。所有監測點和基準點采用太陽能供電系統，保證在連續陰雨天的情況下能保證GNSS能連續正常工作7個工作日。

控制中心的服務器配置UPS，保障控制中心停電的情況下，服務器仍能持續工作30min。

太陽能系統主要由太陽能組件、太陽能充電控制器、蓄電池組件、逆變器、直流及交負載等構成，可直接提供12、24、48V的直流，還可提供220、380V的交流電源，如圖6所示。

圖6 太陽能供電系統示意圖

3.4 防雷系統

所有監測點均布設避雷針，饋線避雷器，電源避雷器。

建立對信息收集裝置、數據傳輸、電源裝置具有防護功能的防雷接地系統。GNSS裝置的直擊雷防護，配置避雷針和接地系統，連接電流低于10Ω。GNSS系統的感應及避水防護方面，應安裝天線饋線與電源回路之間的感應避雷器，接地電流低于4Ω。但現場情況由于沒有地網，很難保證達到，所以將在現場布設簡易地網，以達到保證GNSS安全為前提。具體防雷措施有：

(1)基站天線有防直擊雷的防護，避雷針與地網作了可靠相連。天線饋線嚴格按照標準選擇其接點。

(2)在電力線進入之前，安裝電力線的電涌防護裝置。

(3)天線的防雷：將避雷針利用加工的角鋼固定在觀測墩上，既滿足國家標準的要求，又更好的保護GNSS天線設備，而且能保證避雷針同觀測墩有效的穩定性，架設高度為2m，用扁鋼同地網焊接，然后接入地網，要求直擊雷引出線的接地點與設備接地引下線的接地點距離不應小于10m，接地之前對地網進行電阻測試。

(4)感應雷保護：感應雷的保護使用城區內監控站的保護方法，不采用城市電網的無須加裝電源變壓器。本防護系統設計以下2個角度考慮為主，電源線防雷、通信接收器防雷。電器設備應安裝天饋線電涌保護裝置、電力線電涌防護裝置以及通信線(數據線)電涌保護裝置。

3.5 中心控制系統

中心控制系統擬采用自主研發的DBMS信息采集系統和工程安全監測信息管理及決策分析軟件。系統主要包含系統設置、數據采集、數據查詢、過程曲線、數據錄入、儀器管理、巡視檢查等功能。通過設置采集計算機，系統能夠部署在不同的采集計算機上進行分布式數據采集。

對于圖形分析，其子模塊可繪制滿足管理及分析需要的各類圖形及表格，包括多個物理量的綜合過程線圖、相關圖(包絡圖)、分布圖等。利用這些分析方法，可以將同一監測點不同方向的測值在一張圖上表現出來，例如表面監測點的X向累計位移、Y向累計位移、H向累計位移以及水平合位移；可分析某部位的水位對該部位變形的影響，即將水位過程線與該部位的變形監測數據進行相關性分析；可將相同部位不同監測項目的儀器進行關聯性分析，如：分析應力和變形之間的關聯性；能對同一工程部位、同一個斷面內的監測點資料進行比較分析。系統能夠進行多個監測點同時間的安全監測資料對比分析，其中時程分布圖描述的是監控點資料總量隨時間變動情況的曲線圖，能對現場工程部位、監測斷面、裝置型號、監測時間等因素加以隨機綜合，查詢出所需要的監控點信息曲線。

3.6 輔助預警分析

輔助預警包括閾值管理和閾值組合管理，其中閾值管理用于設置并管理各種監測儀器的預警閾值，閾值組合管理用于將設置好的閾值綁定到特定的安全等級上，即：可以設置測點安全、關注、預警和危險所對應的數值范圍。選擇測定并設置截止時間后，系統將對各測點截止時間前一次數據成果進行閾值評判。以此將監測對象的安全狀態分為4個等級：安全、關注、預警和危險。處理措施如圖7所示。

圖7 輔助預警安全等級處理措施

安全管理等級分別是安全(綠)、注意警示級別(藍)、注意檢查級(黃)、公司內部會商級(橙)。對不同等級警情分別采用以下方法進行管理，但范圍不限：①注意警示級別，必須在規定時間內核實、確定；②注意檢查級，必須及時進行查看、確認；③公司內部會商級，在現場評價認定必要時，將對公司相關各方專題開展專項會評估。

4 結論

(1)本文以四華道班棄渣場安全監測為依托，研究了一種基于無人駕駛直升機傾斜攝影檢測技術、GNSS土壤與地表相對位置監測、深部位移監測、地下水滲壓動態監測等監測技術的綜合自動化監測系統。

(2)進一步介紹了自動化監測系統的信息收集裝置、數據傳輸、電源裝置、防雷系統以及中心控制系統。

(3)基于自主研發的DBMS信息采集系統和工程安全監測信息管理及決策分析軟件，提出了輔助預警分析及相關措施。